Industrie 4.0 durch AAS und Digital Twin

Bessere Datenlogistik dank Standard-Schnittstellen

24. August 2022, 18:21 Uhr | Johannes Kalhoff
Bild 1: Standardisierte Formate ermöglichen einen reibungslosen Transport.
Bild 1: Standardisierte Formate ermöglichen einen reibungslosen Transport.
© Avigator Fortuner / shutterstock.com

Produktions-Software-Systeme wie PLM, ERP und MES leisten in vielen Firmen seit längerem gute Dienste, bilden aber auch häufig Datensilos, weil entsprechende Schnittstellen fehlen. Digitaler Zwilling und Asset Administration Shell (AAS) als Entwicklungs-Handreichungen können hier Abhilfe schaffen.

Die sich abzeichnende Klimakrise, politische Verwerfungen und der dringend zu optimierende Umgang mit den endlichen Ressourcen sind in der Gesellschaft omnipräsent. Im Jahr 2050 werden etwa 9,7 Milliarden Menschen auf der Erde leben, weshalb sich der Energie- und Ressourcenbedarf fast verdoppeln wird. Unter Berücksichtigung des bisherigen Verbrauchs sind laut Umweltorganisation WWF drei Erden nötig, um die Nachfrage der zukünftigen Weltbevölkerung zu decken. Daher ist die Transformation von Gesellschaft und Wirtschaft zu einem nachhaltigen Handeln unabdingbar. (Bild 1)

Als Beschleuniger erweist sich die Erkenntnis, dass die Ziele der Wettbewerbsfähigkeit, Digitalisierung und Nachhaltigkeit zusammengehören. Digitalisierung schafft Transparenz, sodass sich Bedarf und Ressourcen erkennen, bewerten und konsequent über einen langen Zeitraum ausbalancieren lassen. Nachhaltigkeit erfordert wiederum eine Vernetzung, damit lokale Anstrengungen ihre Wirksamkeit in einem internationalen System entfalten können. Als Voraussetzung dafür, die genannten Ziele zu erreichen, muss es eine für alle Akteure niederschwellig nutzbare Datenlogistik geben. Deren Verfügbarkeit limitiert oder erhöht die Geschwindigkeit, mit der sich eine nachhaltige, dekarbonisierte und prosperierende Wirtschaft und Gesellschaft realisieren lässt.

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Bisher hoher Aufwand für die entsprechenden Schnittstellen

Mit der zunehmenden Digitalisierung aller Lebensbereiche sowie einer verstärkten Konvergenz von Informations- und Produktions-/Betriebstechnologien (IT/OT) werden immer mehr digitale Informationen erzeugt und verarbeitet. Das Versprechen, datengetriebene Innovationen und neue Geschäftsmodelle zu entwickeln, um Abläufe zu vereinfachen, Ressourcen zu schonen oder nachhaltiger zu wirtschaften, wird aber nur langsam in die Tat umgesetzt. Als Beispiel sei das papierlose Arbeiten genannt, das punktuell möglich ist, etwa innerhalb eines Unternehmens. Kooperieren zwei oder mehr Betriebe, gestaltet sich der Verzicht auf Ausdrucke vielfach schwierig und kostspielig. Von der Digitalisierung als einer allgemein anerkannten Verfahrensweise ist Deutschland in vielen Prozessen folglich noch weit entfernt.

Der Grund dafür – das Henne-Ei-Problem - liegt im hohen Aufwand für die Datenlogistik, also den automatisierten Transfer interpretierbarer Dateninhalte zwischen den Produktivsystemen unterschiedlicher Unternehmen. Die Implementierung entsprechender Schnittstellen zieht einen hohen Kosten- und Zeitbedarf nach sich. Derartiger Aufwand erzeugt selbst bei größeren Betrieben budgetrelevante Realisierungsprojekte. Handelt es sich um kleine und mittelständische Unternehmen (KMU), stellen diese Vorhaben ein geschäftliches Risiko dar und werden deshalb meist nicht weiterverfolgt.

Automatisierte Weiterleitung zwischen den verschiedenen Softwaresystemen

Bild 2: Global gültige Schnittstellendefinitionen eliminieren die Notwendigkeit von Abstimmungen.
Bild 2: Global gültige Schnittstellendefinitionen eliminieren die Notwendigkeit von Abstimmungen.
© Visual Generation / shutterstock.com

In einer idealen Datenwelt tauschen die im Backbone laufenden Produktiv-Software-Systeme – etwa PLM (Product Lifecycle Management), ERP (Enterprise Resource Planning) oder MES (Manufacturing Execution System) – automatisch semantisch interpretationsfähige Daten zwischen den Unternehmen sowie mit den Fertigungssystemen, Maschinen und Komponenten aus. Durch digitalisierte Datenketten erweisen sich Geschäftsmodelle und Abläufe nicht nur als effizienter. Sie ermöglichen darüber hinaus die Umsetzung neuer, innovativer Prozesse, die sich wegen standardisierter Schnittstellen und Datenformate einfach und ohne Aufwand nutzen lassen. Letztendlich werden Daten automatisierbar und sicher per Plug-and-Play zwischen verschiedenen Produktiv-Software-Systemen weitergeleitet.

In der realen Welt findet sich eine deutlich andere Situation. Die Daten liegen in den einzelnen Produktiv-Software-Systemen in unterschiedlichen Formaten und Strukturen vor – und das hersteller- oder anwenderspezifisch, also nicht in einer standardisierten Form. Auch wenn sich die Kommunikationsinfrastruktur durch den Einsatz von Ethernet, Internet und Funktechnologien zunehmend verbessert hat, hängt der automatisierte Datenaustausch zwischen den Unternehmen von der Verfügbarkeit interoperabler Softwareschnittstellen ab. Diese sind nicht überall vorhanden, sondern müssen aufwendig und kostenintensiv eingebaut werden. Vor allem angesichts der globalen wirtschaftlichen und ökologischen Herausforderungen erweist sich eine niederschwellige, funktionierende Datenlogistik als dringend erforderlich. Interoperable Kommunikationsschnittstellen in den Softwarelösungen der Anwender, deren Standardisierung durch Organisationen und die Nutzung der verwendeten Dateninhalte stellen folglich erfolgsrelevante Faktoren dar (Bild 2).

Technische Herausforderungen mit Asset Administration Shell gelöst

Bild 3: Über die AAS verbundene Assets tauschen untereinander Daten aus.
Bild 3: Über die AAS verbundene Assets tauschen untereinander Daten aus.
© Plattform Industrie 4.0 / Anna Salari; Modell Verwaltungsschale: ZVEI SG

Die technischen Voraussetzungen für eine entsprechende Datenlogistik sind mittlerweile gegeben, wie das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 zeigt. Mit dem digitalen Zwilling als Asset Administration Shell (AAS, deutsch: Verwaltungsschale) veranschaulichte und erprobte die Plattform Industrie 4.0 die Digitalisierung von Wertschöpfungsketten. Anschließend überführte das Netzwerk aus Industrieunternehmen, Verbänden, Wissenschaft, Politik und internationalen Partnern die AAS in die Standardisierung. Wegweisende Use Cases zeigen die Einsatzmöglichkeiten der AAS auf. Dazu gehören die Nutzung der AAS für das „digitale Typenschild“ als Einstieg in den „Digital Product Passport“ der EU oder die Schaffung einer Lieferkettentransparenz in Form eines CO2-Footprints. Hinzu kommen Projekte wie Catena-X als Plattform für alle Beteiligten an der automobilen Wertschöpfungskette.

Mittels der AAS lassen sich die technischen Herausforderungen bei der Realisierung des digitalen Zwillings lösen – einschließlich der Standardisierung für die Organisation und Verwendung bestehender Dateninhalte als Datenmodelle der AAS. Zumindest gibt es Blaupausen. Die Open Source Community „Industrial Digital Twin Association e.V.“ (IDTA) fungiert als Nutzerorganisation. Sie stellt die nötigen AAS-Technologien in puncto Struktur und sichere Datenübertragung sowie die für die Datennutzung erforderlichen Teilmodelle und Standards bereit. Diese werden schon erfolgreich eingesetzt (Bild 3).

Schlechte Erreichbarkeit der Datenlogistik

Warum skaliert die Datenlogistik trotz AAS und Nutzerorganisationen wie Plattform Industrie 4.0 und IDTA heute noch nicht in dem Maße, wie es der Nutzen verspricht? Diese Frage lässt sich leicht anhand einer Analogie beantworten: zu hohe Kosten für den initialen Aufbau. Physikalische Ware wurde vor etlichen Jahren noch einzeln verpackt, manuell in verschiedenen Transportmitteln verstaut und über unterschiedliche Transportwege individuell deklariert und befördert. Diese Varianz trug wesentlich zu den Kosten für den Güterverkehr und dessen Organisation bei, etwa durch den Bau und Betrieb von Infrastrukturen wie Hafenanlagen, Speichern und Transportmitteln.

Durch eine Standardisierung in Form von Containern und Frachtbriefen für die logistische Abwicklung physischer Güter lassen sich Lieferwege aktuell planen und automatisiert beherrschen. Die Versender können Fracht in definierte Container verpacken und deklariert (semantisch erschlossen) an die Empfänger versenden. Infrastrukturbetreiber wandeln Häfen, Transportmittel und Lagerstätten in normierte Formate um, sodass sie sich auf den Transport als ihr Kerngeschäft konzentrieren können. Die Empfänger bekommen eine planbare Leistung im Hinblick auf Zeit, Kosten und Qualität. Für Versender und Empfänger reduzieren sich die Grenzkosten fast auf null, weil die Infrastruktur interoperabel weltweit verfügbar ist.

Übersetzt auf die Datenlogistik verdeutlichen sich die Defizite. Mit der AAS sind der digitale Zwilling sowie sichere Transportmechanismen (Security und Identity) technologisch gut vorbereitet. Kommunikationswege liegen via Ethernet und Internet vor. Die Schwachstellen ergeben sich aus der Erreichbarkeit der Datenlogistik für die jeweiligen Unternehmen. Beim Logistikcontainer, den die Betriebe auf der Lagerfläche befüllen, handelt es sich in der Datentechnik um eine Schnittstelle zu den verwendeten Produktiv-Software-Systemen. Derzeit fehlen solche Schnittstellen, die den digitalen Zwilling nutzen können, um Daten per Teilmodell auszutauschen. Das aktuell individuelle und teilweise aufwendige Implementieren und Mappen von Daten zwischen den Systemen der Partner hemmt den Aufbau und die Verbreitung einer industriellen, wirtschaftlich einsetzbaren Kommunikation im Sinne einer eindeutigen, automatisierbaren und interoperablen Datenbeziehung.

Einfache Handhabung per Plug and Play

Johannes Kalhoff, Phoenix Contact
Johannes Kalhoff ist Master Specialist Corporate Technology & Value Chain bei der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg und Leiter der Arbeitsgruppe „Technologie- und Anwendungsszenarien“ der Plattform Industrie 4.0.
© Phoenix Contact

Je niederschwelliger der Zugang zu einer Datenlogistik ist, desto stärker wird sich deren Nutzung durchsetzen:

• Hersteller und Anwender von Produktiv-Software-Systemen können in ihrem Umfeld die Verwendung digitaler Zwillinge durch den Einsatz der AAS für die eigene Datenlogistik fördern. Technologien, Blaupausen und wichtige Standards gibt es schon oder lassen sich industriegerecht erweitern.

• Politisch Verantwortliche können die Umsetzung durch verschiedene, auch steuerliche Anreize für den Mittelstand beschleunigen. Einfluss hätten auch ein stärkerer Fokus auf die digitale Transformation und die Vereinfachung notwendiger Prozesse.

Die Senkung der Implementierungskosten sowie eine einfache Handhabung per Plug and Play erweisen sich als Enabler der digitalen Transformation.

Die Lösung der anstehenden gesellschaftlichen Herausforderungen hängt erheblich von der Verfügbarkeit digitaler Daten sowie deren automatisierter Nutz- und Interpretierbarkeit ab. Die AAS und Industrie 4.0 tragen wesentlich zur internationalen Standardisierung bei und treiben sie voran. Interoperable Kommunikationsschnittstellen in den Softwarelösungen der Anwender sind ein Garant für die erfolgreiche Transformation. Denn nur mit digitalen Technologien, einer globalen Datenökonomie und einer funktionierenden Datenlogistik lassen sich die Probleme einer stetig wachsenden Menschheit sowie der Bedarf an Ressourcen und Energie meistern, um eine lebenswerte Zukunft in einer prosperierenden Wirtschaft und Gesellschaft weiter zu gestalten.


  1. Bessere Datenlogistik dank Standard-Schnittstellen
  2. Vergleich von Güter- und Datenlogistik

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